南沟煤矿通风系统不稳定原因分析及对策研究

侯宇杰

(山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 忻州 036700)

1 工程概况

南沟煤矿进入二期工程施工时，于2016年10月份，主、副、回风斜井相继落底并贯通，在回风斜井井口安装了两台临时抽出式对旋轴流通风机，砌筑两道风门封闭回风斜井上井口，两台临时抽出式对旋轴流通风机通过一段风道与回风斜井上口合茬，通风方式采用机械抽出式通风，形成全风压通风系统，主、副斜井进风，回风斜井出风，井下乏风通过回风斜井井口安装的临时抽出式对旋轴流通风机排至大气中。临时抽出式对旋轴流通风机开一级电机工作，经测定，副斜井进风量1 200 m3/min，主斜井进风量800 m3/min，回风斜井出风量2 000 m3/min，临时主要通风机工作风量2 500 m3/min。

南沟煤矿二期工程施工时，于2017年1月份出现了原进风的主斜井出风或微风等情况。主斜井最大出风量达到450 m3/min，副斜井进风量2 250 m3/min，回风斜井出风量1 800 m3/min，充分表明通风系统稳定性出现问题，必须有针对性地采取对策，保障井下开采的安全性。

2 矿井通风系统不稳定原因分析

进入冬季，南沟煤矿出现的主斜井出风或微风等情况，即主斜井风流反向问题，造成矿井通风系统不稳定，进行原因分析，主次原因如下[1-5]。

2.1 回风斜井井口存在漏风现象

回风斜井安装带式输送机运输出歼，皮带机头探出井口，因回风斜井上井口砌筑的两道风门墙体过路皮带处过风面积大，封闭不严实，加之人员上、下井时经常开启该处风门，造成部分风流短路，井口漏风量达500 m3/min，漏风率为20%，井口漏风率较大，井下有效风量小。回风斜井井口存在漏风情况是造成主斜井无风或微风的一个次要原因。

2.2 临时主要通风机工作能力不足

南沟煤矿二期工程施工时，永久主要通风机未安装投入使用，依据《南沟煤矿二期工程施工通风设计》中的临时主要通风机选型计算，选择型号为FBCDZ-8-No18D型防爆抽出式对旋轴流通风机(功率：2 kW×90 kW，转速：740 r/min，风量1 320 m3/min～4 200 m3/min，风压2 535 Pa～911 Pa)。井下正常施工时有3个～4个掘进工作面，进入冬季前，抽出式对旋轴流通风机开一级电机工作，叶根安装角度调至中间角度30°，能够满足当时矿井施工通风安全需要。进入冬季，抽出式对旋轴流通风机开一级电机工作，未开双级电机工作，加之叶根安装角度调至中间角度30°，未调至最大安装角度，临时主要通风机工作能力有限，未适时调整临时主要通风机的工况点，当时通风机工作状态的风压不能有效克服冬季反向的自然风压，出现了主斜井出风情况。临时主要通风机工作能力不足是造成矿井通风系统不稳定的一个重要原因。

2.3 冬季自然风压反向造成主斜井出风情况

1) 自然风压概述及其形成。南沟煤矿二期工程冬季施工时，采用地面燃煤暖风炉为进风主斜井供热风，由于主斜井井壁温度逐渐升高，导致主斜井侧的空气柱的平均密度逐渐小于回风斜井侧的空气柱的平均密度，造成矿井自然风压反向并逐渐加大，促使主斜井出风。同时,该矿井的自然风压随季节性变化而变化，冬季自然风压作用方向与主要通风机通风风压方向相反，矿井自然风压反向并较大，其中1月份矿井自然风压最大，加之为主斜井供暖风，主斜井空气柱的平均密度较小，促使主斜井风流反向，主斜井出风。冬季自然风压反向并较大是造成矿井通风系统不稳定的一个主要原因。

2) 自然风压使风流反向理论计算。自然风压使风流反向示意图如图1所示，进入冬季前，DB副斜井和AB1主斜井进风，冬季主斜井自然风压作用方向与主要通风机通风风压方向相反，主斜井风流反向，主斜井出风量450 m3/min。

图1 自然风压使风流反向示意图

对回风斜井来说冬季存在两个系统自然风压：

AB1B11CFA系统的自然风压HNA=Zg[ρ(CBI11)-ρ(FAB1)]；DBB1B11CFED系统的自然风压为HND=Zg[ρ(CB1)-ρ(EDB)]，式中，ρ(CB11)、ρ(FAB1)和ρ(EDB1)分别为CB11、FAB1和EDB1空气柱的平均密度，kg/m3。

自然风压与主要通风机作用方向相反，相当于在副斜井口D和主斜井口A各安装一台抽风机。设AB1风流停滞，对回路AB1和AB1B11CFA分别列出压力平衡方程，见式(1)、式(2)。

HNA-HND=RDQ2

(1)

HS-HNA=RCQ2

(2)

式中：HS为风机静压，Pa；Q为DBB1B11C风路风量，m3/s；RD、RC为分别为DBB1和B1B11C分支风阻，Ns2/m3。

式(1)和式(2)相除，得AB1段风流停滞条件式见式(3)。

(HNA-HND)/(HS-HNA)=RD/RC

(3)

AB1段风流反向条件式见式(4)。

(HNA-HND)/(HS-HNA)>RD/RC

(4)

从AB1段风流反向条件式(4)可知，进入冬季施工时，由于主、副斜井各通风回路系统均产生反向的自然风压且主斜井通风回路系统自然风压较大，加之副斜井进风段DBB1与回风斜井出风段B1B11C分支风阻的比值小，同时通风机工作静压小，造成主斜井出风情况，即主斜井风流反向，通风系统不稳定。

3 防治矿井通风系统不稳定对策

3.1 减少回风斜井井口漏风量

封堵回风斜井上井口漏风处，减少井口漏风量，井口漏风率控制在10%以下。回风斜井上井口两道风门墙体过路皮带处均增设挡风板，尽可能减少该处过风面积。两台临时主要通风机(一主、一备)切换闸门处漏风地方，采用钢板焊接封堵漏风。为防止风流短路，不允许工作人员从回风斜井入井、出井，保证上井口两道风门处于常闭状态。

3.2 提高临时主要通风机工作能力

调整回风斜井地面FBCDZ-8-No18D型主要通风机的工况点，增大叶根角度，将叶根安装角度调至最大角度54(°)/36(°)，开启主要通风机的一级电机和二级电机，即开双级电机工作，提高临时主要通风机工作能力，增加主要通风机的工作风量和工作风压，使其能满足矿井通风需要。使主要通风机工作状态的风压能够进一步克服冬季反向的自然风压。从AB1段风流反向条件式(4)可知，通过增加主要通风机的工作静压，减小(HNA-HND)/(HS-HNA)值，使主斜井AB1段风流反向条件式(4)趋向不成立。因临时主要通风机工作能力有限，采取该对策后，对主斜井进风起到一定作用。

3.3 在副斜井进风段增加局部风阻

在进风的副斜井井巷多处增加局部风阻，即设临时风障和调节风门等通风设施。从AB1段风流反向条件式(4)可知，通过增加副斜井井巷局部风阻，来增大副斜井进风段DBB1与回风斜井出风段B1B11C分支风阻的比值，即增大RD/RC值，使主斜井AB段风流反向条件式(4)不成立，促使主斜井进风。采取该对策后，效果立竿见影，主斜井进风，有效解决了主斜井风流反向问题，保证了通风系统稳定。经测定风量，副斜井进风量为1 800 m'/min，主斜井进风量为900 m3/min，回风斜井出风量为2 700 m3/min。在副斜井进风段增加局部风阻后，南沟煤矿二期工程通风系统示意图如第69页图2所示。

图2 南沟煤矿二期工程通风系统示意图

4 结语

进入冬季，南沟煤矿二期工程施工时，针对主斜井出风情况，即主斜井风流反向问题，进行原因分析和网络计算，采取了减少回风斜井井口漏风量、提高临时主要通风机工作能力(增大HS)、在副斜井进风段增加局部风阻(加大RD)等对策，促使主斜井进风，防止了主斜井风流反向，确保了矿井通风系统稳定、可靠，保证了矿井安全生产。总之，冬季施工，要掌握自然风压的变化规律，防止因自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。为了防止井巷风流反向，必须做好调查研究和现场实测工作，进行原田分析和网络计算，掌握矿井通风系统和各回路

的自然风压和风阻等情况，以便在适当的时候采取相应的措施对策，做到通风安全可靠。